一种对穿越采空区隧道围岩稳定性评价方法与流程

本发明具体涉及一种对穿越采空区隧道围岩稳定性评价方法，属于岩土勘察方法技术领域。

背景技术：

随着高速公路、高速铁路的快速发展，隧道建设在工程中的作用日益重要，在山西，河北、河南、山东等产煤区域，隧道穿越煤矿采空区是不可避免的，在很多情况下，采空区周边会发生一定程度的塌方。在工程勘察设计阶段，对隧道围岩的稳定性做出正确的评价，了解围岩的地质信息，对隧道安全施工具有重要的指导意义。为了解待开挖隧道围岩稳定性，按照《公路工程地质勘察规范》(JTG C20-2011)的规定，一般通过对钻探岩芯进行稳定性质测试，从测试的数据中分析围岩的稳定性、坚硬性等。但是，采空区周边的围岩发生塌陷后，相对比较破碎，不能取得完整的岩芯，很难准确对隧道围岩进行稳定性定量评价。对于穿越采空区等特殊地质条件的隧道的围岩稳定性的定量评价，目前，国内外都还没有明确的统一的方法。

技术实现要素：

因此，针对现有技术的上述不足，本发明皆在提供一种采用地球物理探测资料对穿越采空区隧道围岩稳定性进行评价方法。

本发明的方法包括以下步骤：

步骤一 确定视密度与围岩波速关系

在穿越采空区隧道范围内布设验证钻孔，对验证钻孔进行视密度测井测定，并进行孔内波速测试或瑞雷波速度测定，得到视密度参数和围岩波速参数，并把视密度参数和围岩速度参数绘成地层视密度与围岩波速关系散点图，根据散点图中视密度数值和围岩波速数值，采用了数理统计回归方法建立拟合曲线，得到地层视密度与围岩波速关系拟合曲线图；

步骤二 视密度数值测定

在穿越采空区隧道范围各区段内进行视密度测井测定，测定视密度值；

步骤三 确定围岩波速数值

在穿越采空区隧道范围各区段内，根据步骤二所得的视密度数据，根据步骤一所获得的视密度与围岩数度之间的拟合关系，找到视密度数据所对应的围岩波速数值；

步骤四 进行围岩稳定性判定

根据步骤三获得的穿越采空区隧道范围各区段的围岩波速数值，判断穿越采空区隧道范围各区段的围岩稳定性。

进一步的，所述步骤一及步骤二中视密度测井测定的方法为将测井探头与绞车用线缆连接好，测井探头随立脚点绞车以一定的速度在钻孔内由上至下做匀速运动，测井探头中含有发射源和两个探测器，两个探测器与发射源的距离不同，在测井探测运动过程中，发射源向地层中发射γ射线，两个探测器分别记录经由地层散射后的γ射线数值，由γ射线数值确定视密度值。

进一步的，所述步骤一中波速测试使用单孔检层法。

进一步的，所述步骤一中数理统计回归方法具体为；

对于一组给定的围岩速度测值及视密度测值，(x_i,y_i),i＝1,2,...,n，有公式一

y_i＝f(x_i,θ)+ε_i i＝1,2,...,n 公式一

其中，f为拟合曲线函数；y_i视密度；x_i是围岩波速；θ为未知参数向量；ε_i为随机误差项并且满足独立同分布假定；

假定拟合曲线f函数对参数θ连续可微，利用微分法，建立方程组，求使公式二达到最小的

将Q函数对参数θ_j求偏导，并令其为0，得到如公式三的p+1个方程；

最小二乘估计就是公式三的解，最终可得视密度与围岩波速的拟合函数。

进一步的，所述步骤四中围岩稳定性判定标准为：

围岩速度值：>3.5(km/m)，围岩稳定性好，

围岩速度值：2～3.5(km/m)，围岩稳定性一般，

围岩速度值：1～2(km/m)，围岩稳定性较差，

围岩速度值：<1(km/m)，围岩稳定性差。

本发明的有益效果在于：本发明提供一种对穿越采空区隧道围岩稳定性评价方法，利用相关分析的方法，合理有效的运用了密度测井、波速测试等物探勘察手段，利用视密度参数和围岩速度参数，对围岩稳定性做出可靠评价，保证了最终的隧道施工过程安全高效地进行。

附图说明

图1为本发明一种对穿越采空区隧道围岩稳定性评价方法的流程图；

图2为实施例中验证钻孔的示意图；

图3为实施例中孔内波速法装置示意图；

图4为实施例中地层视密度-波速关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：

某二级公路隧道全长2555m，路面宽8m，双向车道，开挖断面大(约80m²)。其中一段为煤系地层，影响隧道工程稳定性的主要不良地质因素是侏罗系大同组的煤炭采空区、(7、11、14号煤层)以及由采空区塌落引发 的地层破碎酥松等，因此除了一般隧道施工中普遍存在的滑坡、塌方、涌水、断层、岩溶等不良地质因素外，又加上了采空区的不良地质因素，使得工区的地质条件更为复杂，因而对隧道围岩稳定性准确做出评价的难度进一步加大。

针对隧道穿越煤层采空区不良地质体的复杂地质背景下，利用相关分析的方法，运用密度测井、波速测试等物探勘察手段，利用视密度参数和围岩速度参数，对围岩稳定性做出可靠评价，保证了最终的隧道施工过程安全高效地进行。

评价步骤如图1所示，包括以下步骤：

步骤一 确定视密度与围岩波速关系

在穿越采空区隧道范围内布设验证钻孔，对验证钻孔进行视密度测井测定，并进行孔内波速测试或瑞雷波速度测定，得到视密度参数和围岩波速参数，并把视密度参数和围岩速度参数绘成地层视密度与围岩波速关系散点图，根据散点图中视密度数值和围岩波速数值，采用了数理统计回归方法建立拟合曲线，得到地层视密度与围岩波速关系拟合曲线图；

步骤二 视密度数值测定

在穿越采空区隧道范围各区段内进行视密度测井测定，测定视密度值；

步骤三 确定围岩波速数值

在穿越采空区隧道范围各区段内，根据步骤二所得的视密度数据，根据步骤一所获得的视密度与围岩数度之间的拟合关系，找到视密度数据所对应的围岩波速数值；

步骤四 进行围岩稳定性判定

根据步骤三获得的穿越采空区隧道范围各区段的围岩波速数值，判断穿越采空区隧道范围各区段的围岩稳定性。

具体的，首先对全区所有钻孔进行视密度测井和孔内波速测试或者利用瑞雷波速度测定，如图2所示，得到视密度参数和围岩速度参数；

瑞雷波测试用于测定地层的厚度及纵波速度，沿主测线I线布置，每50m 一个测点测，测试深度最大50m，经拟合反演计算出地层段的波速值。仪器设备采用SE-2404M型轻便数字地震仪，4HZ检波器，采用爆炸振源，药量400g，道间距2m，接收道数12道，采样间隔0.5m/s，偏移距20m。

波速测试使用单孔检层法，可以在无水的干孔中确定地层的波速。用18磅大锤侧向及垂向锤击叩板作为孔内激发震源，孔内用三分量检波器采集用气囊控制使检波器紧贴井壁接收，完成各点采集后，通过各点首波到达的时差和相邻测点的经过校正的间距计算地层的速度，如图3所示。

仪器设备：

SE～2404M型轻便数字地震仪、井下三分量检波器

工程布置、测试参数：

在每个钻孔上部60每1m测一点，采样间隔：0.1ms。

完成工作量：测井总深400m，物理点400个。

数据处理：每1m一个点，相应地层上求取多点速度测试的平均值作为该层的速度，波速度为：

式中，V_p是速度，H是深度，t_i+1，t_i为采样时间

密度测井测量的是长源距和短源距的计数率N，单位为cps(脉冲/秒)仪器是经过在标准模块上刻度过的，刻度后就可求出下式的A_L、A_S、B_L、B_S系数值，经过处理计算后的补偿密度ρ_b，单位为g/cm³。

依据采空区的勘查成果在隧道主轴两侧7-10m上布设了3个验证钻孔，YK-1、YK-2、YK-3三孔主要查明隧道西段侏罗系含煤地层的地层结构、煤层采空情况及范围，设计孔深100～260m。目的层为14号煤层底板以下3～5m及隧道底板以下20m。终孔口径不小于91mm。在所有钻孔中进行密度测井。

表1为YK-1钻孔处的瑞雷波测试成果与钻孔内测井视密度成果。

表1

表2为三个钻孔不同深度处的瑞雷波测试成果与钻孔内测井视密度成果。

表2

把视密度参数和围岩速度参数绘成地层视密度-围岩波速关系散点图；根据散点图中视密度数值和围岩波速数值，采用了数理统计回归方法，建立拟合曲线；得到地层视密度-围岩波速关系曲线图如图4所示。

数理统计回归方法具体为；

对于一组给定的围岩速度测值及视密度测值，(x_i，y_i)，i＝1，2，...，n，有公式一

y_i＝f(x_i，θ)+ε_i i＝1，2，...，n 公式一

其中，f为拟合曲线函数；y_i视密度；x_i是围岩波速；θ为未知参数向量；ε_i为随机误差项并且满足独立同分布假定；

假定拟合曲线f函数对参数θ连续可微，利用微分法，建立方程组，求使公式二达到最小的

将Q函数对参数θ_j求偏导，并令其为0，得到如公式三的p+1个方程；

最小二乘估计就是公式三的解，最终可得视密度与围岩波速的拟合函数。

在得到图4所示得到地层视密度-波速关系拟合曲线后，根据本发明方法步骤二所得的视密度数据；求得地层波速度；按岩石弹性波纵波速度和岩体完整性系数之间的关系，然后进行如下的判定：

围岩速度值：>3.5(km/m)，围岩稳定性好，

围岩速度值：2～3.5(km/m)，围岩稳定性一般，

围岩速度值：1～2(km/m)，围岩稳定性较差，

围岩速度值：<1(km/m)，围岩稳定性差。

评判结果即围岩分级情况如下：

最终根据采空区的分布特征、测试或计算所得的隧道围岩波速V_p及隧道围岩完整性等各种信息综合利用，划分隧道围岩的类别如下：

K1+840～K1+954：洞体受下部煤层采空坍塌影响，围岩较为破碎，围岩 弹性波速1692m/s，围岩类别为II类。

K1+954～K2+130：洞体下部为煤层采空区，围岩水平裂隙发育，围岩弹性波波速2079m/s，围岩类别为II类。

K2+130～K2+380：岩体局部受下部采空影响，岩体呈碎块状，围岩弹性波速2542m/s，类别为III类。

K2+380～K2+540：洞体距下部煤层采空区较近为0～10m，但采空塌陷影响较轻，岩体呈完整～较破碎状，围岩弹性波波速2279m/s，围岩类别为III类。

K2+540～K2+830：隧道穿越11号煤层而处于14号煤层上部10～20m，本段内14号煤层剩余煤柱较多，顶板砂岩坚硬，岩体较破碎，围岩弹性波波速较低，为1656m/s，围岩类为III类。

K2+830～K3+280：K2+830～K3+060隧道处于11号和14号煤层之间，围岩岩性为细砂岩或粉砂岩，14号煤采空冒落较为严重，岩体水平裂隙较为发育；围岩弹性波波速为2929m/s，围岩类别为IV类。

在入口段施工至K2+210～K2+400m段时，地层较为破碎，和钻孔资料相吻合。ZK-2相应的破碎带深度在109m～122m处，其弹性波速为958m/s，其上部地层裂隙发育，至K2+400m之后才会逐步好转，所以该段围岩类别总体为III类是合适的，在施工中得以证实，至K2+400之后，岩层破碎程度变轻。在K2+450m前后，隧道穿越11^#煤层开空区，在K3+020前后，隧道穿越14^#煤层采空区，其围岩类别由III类过度到IV类，整体揭示的围岩类别情况与勘察阶段的围岩类别划分基本相符，没有出现特殊的异常情况。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。